แก้ไขยีนแบคทีเรียในลำไส้ของหนูที่มีชีวิตได้สำเร็จ

ทีมวิจัยที่นำโดยนักชีววิทยาสังเคราะห์ Xavier Duportet ผู้ก่อตั้งร่วมบริษัทเทคโนโลยีชีวภาพ Eligo Bioscience ประสบความสำเร็จในการออกแบบเครื่องมือตัดแต่งยีนที่สามารถปรับเปลี่ยนประชากรแบคทีเรียในจุลินทรีย์ในลำไส้ของหนูที่มีชีวิตได้

ผลการทดลองเบื้องต้นแสดงให้เห็นว่าเครื่องมือดังกล่าวช่วยปรับเปลี่ยนยีนเป้าหมายในแบคทีเรีย Escherichia coli มากกว่าร้อยละ 90 ภายในลำไส้ของหนูที่มีชีวิต Escherichia coli เป็นแบคทีเรียชนิดหนึ่งที่ปกติอาศัยอยู่ในลำไส้ของมนุษย์และสัตว์ เชื้อแบคทีเรีย E. coli ส่วนใหญ่ทราบกันว่าทำให้เกิดอาการท้องเสียชั่วคราวและไม่รุนแรง หรือการติดเชื้อลำไส้รุนแรงบางชนิดที่นำไปสู่อาการป่วยที่รุนแรงกว่าซึ่งได้แก่ อาการท้องเสีย ปวดท้อง และมีไข้

การศึกษาก่อนหน้านี้หลายครั้งใช้ระบบการตัดแต่งยีน CRISPR—Cas ​​เพื่อฆ่าแบคทีเรียที่เป็นอันตรายในลำไส้ของหนู แต่ Duportet และเพื่อนร่วมงานต้องการที่จะแก้ไขยีนของแบคทีเรียในไมโครไบโอมในลำไส้โดยไม่ต้องฆ่าพวกมัน

เพื่อดำเนินการนี้ นักวิทยาศาสตร์ใช้กรรมวิธีในการสลับเบสของนิวคลีโอไทด์ตัวหนึ่งด้วยเบสอื่น เช่น การแปลง A เป็น G โดยไม่ทำลายสายคู่ของ DNA จนถึงปัจจุบัน วิธีการที่มีอยู่ส่วนใหญ่ไม่สามารถปรับเปลี่ยนประชากรแบคทีเรียเป้าหมายได้อย่างมีประสิทธิภาพ เนื่องจากเวกเตอร์ที่นำเข้ามาจะกำหนดเป้าหมายเฉพาะตัวรับที่พบได้ทั่วไปในแบคทีเรียที่เพาะเลี้ยงในห้องปฏิบัติการเท่านั้น

เพื่อเอาชนะอุปสรรคนี้ Duportet และเพื่อนร่วมงานได้ออกแบบยานพาหนะขนส่งที่ใช้ส่วนประกอบของแบคทีเรียโฟจ ซึ่งเป็นไวรัสประเภทหนึ่งที่ติดเชื้อแบคทีเรีย เพื่อนำตัวรับ E. coli หลายตัวที่แสดงออกมาในสภาพแวดล้อมของลำไส้ เวกเตอร์นี้มี “เครื่องมือแก้ไขยีนพื้นฐาน” ที่กำหนดเป้าหมายไปที่ยีน E. coli เฉพาะ ทีมยังได้ปรับปรุงระบบเพื่อป้องกันไม่ให้วัสดุทางพันธุกรรมที่ได้รับมาจำลองและแพร่กระจายเมื่ออยู่ภายในแบคทีเรียแล้ว

ทีมวิจัยได้ใส่เครื่องมือตัดแต่งยีนพื้นฐานเข้าไปในหนูและใช้เครื่องมือดังกล่าวเพื่อเปลี่ยน A เป็น G ในยีน E. coli ที่สร้าง β-lactamase ซึ่งเป็นเอนไซม์ที่ทำให้แบคทีเรียดื้อต่อยาปฏิชีวนะบางชนิด ประมาณแปดชั่วโมงหลังจากที่สัตว์ได้รับการรักษา ประมาณ 93% ของแบคทีเรียเป้าหมายได้รับการตัดต่อยีนแล้ว

จากนั้นนักวิจัยปรับแต่งเครื่องมือแก้ไขเพื่อให้สามารถปรับเปลี่ยนยีน E. coli ที่ผลิตโปรตีนที่เชื่อกันว่ามีบทบาทในโรคระบบประสาทเสื่อมและโรคภูมิคุ้มกันทำลายตนเองบางชนิดได้ เปอร์เซ็นต์ของแบคทีเรียที่ถูกแก้ไขจะอยู่ที่ประมาณ 70% ภายในสามสัปดาห์หลังจากที่หนูได้รับการรักษา ในห้องปฏิบัติการ นักวิทยาศาสตร์ยังสามารถใช้เครื่องมือเพื่อแก้ไขสายพันธุ์ของเชื้อ E. coli และ Klebsiella pneumoniae ที่อาจทำให้เกิดการติดเชื้อปอดบวมได้ สิ่งนี้ชี้ให้เห็นว่าระบบการแก้ไขอาจสามารถปรับแต่งเพื่อกำหนดเป้าหมายไปที่สายพันธุ์และชนิดของแบคทีเรียที่แตกต่างกันได้

ความสำเร็จนี้ถือเป็น “ก้าวกระโดดครั้งใหญ่” ในการพัฒนาเครื่องมือที่จะปรับเปลี่ยนแบคทีเรียโดยตรงภายในลำไส้ ช่วยเพิ่มโอกาสในการต่อสู้กับโรคได้ ขณะเดียวกันก็ป้องกันการแพร่กระจายของ DNA ที่เป็นอันตรายอีกด้วย

ขั้นตอนต่อไปสำหรับ Duportet และเพื่อนร่วมงานคือการพัฒนาแบบจำลองเมาส์สำหรับโรคที่เกิดจากไมโครไบโอมเพื่อวัดว่าการแก้ไขยีนเฉพาะมีผลดีต่อสุขภาพหรือไม่